本田公司为了实现将燃料电池动力系统置于Clarity燃料电池汽车引擎盖下方,对燃料电池冷却系统进行了小型化设计。本田公司通过精确预估金属双极板的腐蚀电流大小、降低冷却剂的电导率和取消电池隔离橡胶来减小电池尺寸。对于冷却系统体积,调节冷却剂的电导率以减少冷却水泵等部件体积。此外,调节冷却剂电导率在一定范围内有助于减小电堆和冷却设备(如水泵)体积。为了减小冷却剂电导率,本田建立一种燃料电池冷却系统,该系统可以减少离子分解、抑制冷却剂衰减和持续减少融解离子数目。以上措施使得本田Clarity燃料电池汽车的冷却系统体积减少20%,成功实现世界第一辆五座燃料电池乘用车面世。
本田公司于2016年推出全球首辆五座燃料电池汽车-Clarity Fuel Cell。为了实现类似传统内燃机的动力布置方案-将动力装置集成并放置在引擎盖下方,本田公司在2009款燃料电池汽车基础上大大减少了燃料电池动力系统的体积。此外,动力系统置于引擎盖下方亦可以避免重新开发全新的燃料电池车身,降低燃料电池汽车成本(可以和混合动力汽车或者传统汽车共享车身)。
本田Clarity燃料电池动力系统布置
1. 燃料电池冷却系统小型化背景
下图为燃料电池冷却系统原理图,包含燃料电池堆、水泵、散热器、节温器(三通阀)、去离子装置和热回路组成。冷却系统的主要作用为将电堆产生的热量通过散热器散掉。每个部件的功能如下:水泵对冷却液增压并向前输送冷却液;散热器向外部环境散热;节温器实现大小循环散热(设置冷却液是否流经散热器散热);去离子装置保证电安全和防止电堆腐蚀(降低冷却液中的离子数目);热回路通过冷却液回收电堆产热来提高低温环境适应性。
燃料电池冷却系统原理图
下图为本田燃料电池堆的结构图。为了满足车用动力性要求,电堆由几百片单电池串联形成。燃料电池堆气体采用水平相向的流动方式,2块MEA与3块双极板构成一个电池单元,组成独特的冷却结构。质子交换膜燃料电池中电化学反应产生的热量通过双极板与冷却流道中的冷却剂进行换热。
电堆结构
one cooling per two cells结构
单电池冷却区域
为了将动力系统置于引擎盖下方,本田公司的目标是开发和V6发动机体积相等的燃料电池动力系统。因此,对于燃料电池冷却系统,需要从结构和功能两个方面考虑减小其体积。本田在保持冷却系统同样散热能力的前提下,优化了电池冷却流道结构,实现了燃料电池电堆体积减小20%(与本田2009款相比)。由于电堆由数百片单电池组成,减小单电池厚度将大大降低电堆体积。因此,本田将关注点放在隔离橡胶上。下图对比了本田公司09MY和16MY两款燃料电池堆。从上到下依次展示的是:09MY和16MY两款电堆的正视图,冷却流场结构的高度变化,由于橡胶隔离引起的从歧管处冷却流道的路径变化。
冷却流道细节
09MY电堆通过使用密封圈来包裹冷却流场的四边(上、下、左、右)实现对金属双极板的防腐处理。相反,16MY电堆冷却流场降低了上下两个密封圈的厚度,但h16MY和h09MY高度保持相同。因此,在没有提高冷却流道压降的前提下,通过两层密封圈设计降低了电池厚度。同样,从歧管至被密封圈覆盖的金属表面距离l16MY比09MY对应的l09MY短,减少了电池面积。上述结构实现燃料电池电堆体积减少20%。
2. 燃料电池冷却系统功能
下表展示了燃料电池冷却系统的功能、影响这些功能的参数以及小型化涉及的问题。电堆冷却效果由进入电堆的冷却液流量、散热器和向外界的散热量决定。当降低水泵和散热器的体积,冷却液流量和散热量也随之减少,降低了冷却效果。因此,本田公司舍弃降低冷却系统部件尺寸的做法,转而选择将冷却系统管道长度变短。
燃料电池冷却系统的三个功能
燃料电池冷却系统需要具备导电隔离以保证车辆的电安全(electrical safety),这取决于电堆到GND(ground)的长度以及冷却液的电导率。如上所述,小型化减少了管道长度,这有利于降低绝缘电阻值(insulation resistance)。为了保证绝缘电阻值在一定范围,新一代MY电堆系统中冷却液电导率要比前一代09MY中小。
下图表示冷却流场的氧化还原反应位置-冷却流场的易腐蚀区域。燃料电池金属双极板一般会进行表面改性处理,其耐腐蚀涂层一定程度上会抑制腐蚀。
冷却流场的腐蚀区域
冷却流场区域流经冷却剂,由于冷却剂导电,不可能在物理上阻止电闭合电路的形成。如下图所示,当沿着冷却流道方向不锈钢金属暴露在外,金属双极板腐蚀就会发生,主要后果就是引起不锈钢的主要成分在高电位(公式1)侧腐朽,同时在低电位(公式2)侧由于氧化还原反应产生氢气。
高电位侧反应方程式: (1)
)
低电位侧反应方程式:(2)
金属双极板腐蚀机理
当冷却流道区域的不锈钢材料发生腐朽,材料的强度将大打折扣,此时压差易使金属材料变形,并且点腐蚀也可能发生(点腐蚀简称点蚀,指金属表面在腐蚀介质中形成小孔的一种极为局部的腐蚀形态)。当电池厚度和导电隔离距离减少,各部分电阻也随之降低,冷却流道中的腐蚀电流值增加,进一步加速了金属双极板的腐蚀。降低冷却液电导率有利于减少电堆体积和金属双极板的耐腐蚀性。
下图为精确计算燃料电池堆中腐蚀电流值的等效电流图。假定冷却流道歧管电流为IA,冷却流道电流值为IB,冷却流道歧管电阻值为RA,冷却流道电阻值为RB。等效电流图用来计算最大腐蚀电流IB(n+1)。
电堆电路
下图表示电池厚度、导电隔离距离、水平方向冷却剂电导率和垂直方向腐蚀电流对最大腐蚀电流IB(n+1)的影响情况(基于09MY电堆为基础且假设09MY为100%)。可以发现,当电池厚度在Y方向上降低20%时,冷却流道歧管电阻值RA变小,最大腐蚀电流IB(n+1)增加了14%。为了降低Z方向长度取消密封圈且导电隔离距离减少减少79%,最大腐蚀电流提高了113%。因此,电池厚度和导电隔离距离减小会引起最大腐蚀电流提高。
电池厚度对IB(n+1)影响
导电隔离距离对IB(n+1)影响
燃料电池电堆中组件层数、冷却流道歧管横截面积和工作环境也会引起最大腐蚀电流升高。从下图可以看出,降低冷却剂的电导率大大降低了最大腐蚀电流IB(n+1)。因此,16MY电堆的目标是在09MY基础上冷却剂电导率降低59%,通过降低电池厚度和导电隔离距离提高腐蚀电流。
冷却剂电导率对IB(n+1)影响
可以确定的是,冷却剂电导率影响电堆和冷却系统部件的体积。下面两张图横坐标表示冷却剂电导率比值(与09MY相比,09MY为100%),纵坐标分别表示冷却系统部件体积比值和电堆体积比值。对于冷却系统部件,当冷却剂电导率降低,绝缘电阻值升高,因此冷却系统管路长度减少,冷却系统部件体积也随之减少。为了建立电导率比值小于4%的冷却系统(如图中2),有必要在电堆入口安装去离子装置。然而,去离子装置的存在引起冷却系统中压降增加,水泵体积增加,即冷却系统部件体积增加。
电导率对燃料电池冷却系统设备体积影响
对于电堆,当冷却剂电导率从100%降到4%时(下图中3),受电池厚度和导电隔离距离影响的绝缘电阻值会升高,意味着,导电隔离用的橡胶数目和电堆体积会减小。当冷却剂电导率低于4%甚至更低,仅双极板腐蚀现象减缓,体积减小的效果微乎其微。综上所述,可以通过调节冷却剂的电导率在一定范围,实现燃料电磁冷却系统的小型化。
电导率对燃料电池堆体积影响
3. 低电导率燃料电池冷却系统的构建
冷却剂中离子融解主要来源于冷却系统零部件、热回路零部件和冷却剂降解产生的离子。即使采取措施减少冷却剂中的离子数目,来自于冷却系统中零部件和冷却剂降解的离子也会随之发生。为了维持燃料电池冷却回路中较低的离子电导率,有必要解决两个问题:1.减少来自于零部件的离子融解,抑制冷却剂的降低;2.建立可以持续不断消除融解离子的燃料电池冷却系统。
本田公司09MY中已经采取了相关措施抑制来自于冷却系统中零部件的离子融解,如下表所示。其中,制造散热器过程中已考虑了降低离子融解的效应。选择低离子融解率的材料制造管路、树脂部件和橡胶管。此外,还在冷却剂中添加氧化抑制剂限制热分解引起的离子融解。
降低燃料电池冷却系统电导率的方法
相比于09MY,16MY增加了一个可从燃料电池堆吸收废热的系统,该系统用来加热冷却液。同样,对于热回路系统也需要降低电导率。方法如下表所示。与传统内燃机不同,加热线圈在制造过程中考虑低离子融解效应,同时管路的材料、树脂部件和橡胶管也采用低离子融解的材料。
降低燃料电池冷却系统电导率方法
通过上述措施,相比传统内燃机中的热回路部件,经受离子融解的部件成功在16MY中降低了75%。燃料电池冷却系统中离子融解数目和09MY中保持相同水平,如下图所示。
燃料电池冷却系统中离子融解比例
仅仅采取上述抑制离子融解的材料来保持较低的离子电导率还远远不,尤其对于长期不使用的车辆,因为融解的离子会在每个零部件里面慢慢积累,积少成多。当车辆启动,短期表现高离子电导率的冷却剂就会流入电堆,有必要主动消除离子。因此,本田建立了一个让冷却剂持续进入去离子装置的旁路。当去离子装置和电堆串联,压降损失较大。当去离子装置和电堆并联,压降较小,冷却水泵体积降低40%。冷却剂持续进入去离子装置旁路系统的一个优点就是当汽车处于暖机时,已经在散热器内部的离子可以去除,意味着即使在暖机过程中离子从散热器中产生并流动,离子数目也可控。
下图表示采取上述措施后燃料电池冷却系统运行过程中电导率的变化情况。可以发现,即使电导率短暂上升,系统也会进行调节以保持较低的电导率水平。
保持低冷却剂电导率的性能表现
从下图可以看出,暖机过程中,积累在散热器旁路中的融解离子在汽车启动时刻会立刻进入系统,引起电导率短暂性上升。然而,由于冷却剂可以持续进入去离子装置,电导率可以快速降低。暖机后,积累在散热器旁路中的融解离子进入冷却系统,电导率再次上升。由于融解离子可以持续消除,可以再次保证系统较低的电导率水平。
燃料电池冷却系统原理图
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